特許 7276860 可変の回折効率を有する回折格子及び画像を表示するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-10

(45)【発行日】2023-05-18

(54)【発明の名称】可変の回折効率を有する回折格子及び画像を表示するための方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20230511BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2019561160

(86)(22)【出願日】2018-05-08

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-06-25

(86)【国際出願番号】 FI2018050340

(87)【国際公開番号】W WO2018206847

(87)【国際公開日】2018-11-15

【審査請求日】2021-04-19

(31)【優先権主張番号】20175412

(32)【優先日】2017-05-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FI

(73)【特許権者】

【識別番号】517319167

【氏名又は名称】ディスペリックス オーワイ

【氏名又は名称原語表記】Ｄｉｓｐｅｌｉｘ Ｏｙ

【住所又は居所原語表記】Ｍｅｔｓａｎｎｅｉｄｏｎｋｕｊａ １０ ０２１３０ Ｅｓｐｏｏ， Ｆｉｎｌａｎｄ

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】ヴァルティアイネン，イスモ

(72)【発明者】

【氏名】オルッコネン，ユーソ

(72)【発明者】

【氏名】ラホマキ，ユッシ

【審査官】池田 博一

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／１１１７０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／０３９８２０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１０２５４３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１６－０５４３１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００６／００５０３９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

格子構造をそれぞれ有する第１のゾーン及び第２のゾーンを備える回折光学格子であって、前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンの格子構造が、二次元に周期的であり、且つ各格子での単位セルサイズを画定し、
－ 第１の方向の単位セルの第１の周期（ｄ_ｘ）が、前記第１の波長に沿って可視光の選択された波長の回折を可能にするように選択され、
－ 第２の方向の前記単位セルの第２の周期（ｄ_ｙ）が前記第１の方向とは異なり、前記第２の方向が、前記第２の方向に沿って前記選択された波長の回折を防ぐのに十分に短いサブ波長周期を有する、
ことを特徴とする、格子であり、
前記第１の周期（ｄ_ｘ）が光学回折閾値よりも長く、前記第２の周期（ｄ_ｙ）が前記光学回折閾値よりも短く、
前記第１のゾーンでの格子構造及び前記第２のゾーンでの格子構造が、前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンについて異なる回折効率を生み出すために、前記第２の方向に異なるサブ波長変調特徴を有し、
前記変調特徴が、フィルファクタ変調又は高さ変調に、従って前記回折効率に影響を与える格子の任意の幾何学的特性である、格子。

【請求項2】

前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンが、前記第２の方向に異なるフィルファクタ変調特徴を有する、請求項１に記載の格子。

【請求項3】

前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンが、前記第２の方向に異なる高さ変調特徴を有する、請求項１又は２に記載の格子。

【請求項4】

前記高さ変調が、前記第２の方向に前記第１のゾーンと前記第２のゾーンとの間のフィルファクタにおけるサブ波長変調に置き換えられる、請求項２に記載の格子。

【請求項5】

前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンが、前記第１の方向及び／又は前記第２の方向に異なる周期を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の格子。

【請求項6】

前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンが、前記第１の方向及び／又は前記第２の方向に同じ周期を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の格子。

【請求項7】

前記格子構造が、１．７よりも高い屈折率を有する材料で少なくとも部分的に作製される、請求項１～６のいずれか一項に記載の格子。

【請求項8】

前記第１のゾーン及び前記第２のゾーンの格子構造がピラーを備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の格子。

【請求項9】

前記ピラーが平坦な又は傾斜した頂部を有する、請求項８に記載の格子。

【請求項10】

前記光学回折閾値が１００～７００ｎｍの範囲内にある、請求項１～９のいずれか一項に記載の格子。

【請求項11】

前記格子が、それらの隣接するゾーン又はすべての他のゾーンと比較して前記第２の方向に異なる変調特徴を有する少なくとも３つのゾーンを備える、請求項１～１０のいずれか一項に記載の格子。

【請求項12】

前記ゾーンが規則的なグリッドに配置される、請求項１～１１のいずれか一項に記載の格子。

【請求項13】

前記第１の方向及び前記第２の方向が互いに直交する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の格子。

【請求項14】

光導波路として作用するための本質的に平坦な基板と、前記基板内に又は前記基板上に配置され、且つ、前記基板へ、前記基板内へ、又は前記基板外へ光を結合するための少なくとも１つの回折格子とを備える回折ウェーブガイドであって、前記回折格子が請求項１～１３のいずれか一項に記載の格子である、回折ウェーブガイド。

【請求項15】

画像を提示することができる画像ソースと、前記画像ソースにより提示された画像を再現するように構成された入力結合格子、出力結合格子、及び／又は射出瞳拡大素子格子を備える回折ウェーブガイドとを備える回折ディスプレイ装置であって、前記入力結合格子、前記出力結合格子、及び／又は前記射出瞳拡大素子格子が請求項１～１３のいずれか一項に記載の格子を備える、回折ディスプレイ装置。

【請求項16】

前記画像ソースが、或る出力波長又は波長範囲を有し、前記格子の第２の周期（ｄ_ｙ）が、前記第２の方向の回折を防ぐために前記画像ソースの出力波長又は波長範囲のサブ波長領域内にある、請求項１５に記載の回折ディスプレイ装置。

【請求項17】

請求項１～１３のいずれか一項に記載の格子を備える回折ディスプレイ上に画像を表示するための方法であって、前記方法が、
－ 第１の回折効率を生成するために、前記格子の第１のゾーン内の格子構造との光学干渉を生じさせるために前記第１のゾーンに光を誘導することと、
－ 第２の回折効率を生成するために、前記格子の第２のゾーン内の格子構造との光学干渉を生じさせるために前記第２のゾーンに光を誘導することと、
を含む、方法。

【請求項18】

第１の周期（ｄ_ｘ）を有する第１の回折方向を有する、請求項１～１３のいずれか一項に記載の格子のサブ波長周期パターニングの使用であって、サブ波長周期（ｄ_ｙ）が、前記格子の回折効率を調節するために前記第１の回折方向と非平行な第２の方向に配置される、使用。

【請求項19】

前記第２の方向に前記格子のフィルファクタ変調と組み合わされる、請求項１８に記載の使用。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回折格子に関し、特に、ディスプレイ技術でのそれらの使用に関する。具体的には、本発明は、回折効率の変調格子、このような格子を用いるオプティカルデバイス、及び回折ディスプレイ上に画像を表示するための方法、並びに新規な使用に関する。

【背景技術】

【0002】

目に近接したディスプレイ（Ｎｅａｒ－ｔｏ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ（ＮＥＤ））及びヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）は、通常、見ることができる画像を生成するために回折格子を含む。画像ソースからの画像をウェーブガイドに結合する入力結合（ｉｎ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子としての格子、ユーザのための最終的な見ることができる画像を生成する出力結合（ｏｕｔ－ｃｏｕｐｌｉｎｇ）格子としての格子、及びディスプレイの射出瞳のサイズを増加させる射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）としての格子が必要とされる。

【0003】

格子の品質及び特徴が、結果的に得られる画像の品質を決める。明確な一貫した格子線を有することに加えて、高度な用途では、格子の回折効率を局所的に制御できることが望ましい。これは、格子線の高さ又は格子内のフィルファクタを変化させること、すなわち、高さ変調又はフィルファクタ変調を用いることにより達成することができる。最大の可能な効率調節範囲を達成するためには、高さとフィルファクタとの両方が変調されるべきである。

【0004】

高さ変調された要素の製作は、一般に、１つの高さが１サイクル内で画定される製作サイクルを繰り返すことにより行われる。特に、同一基板上の種々の高さのマイクロ及びナノ構造体の製作は、加工が難しい無機材料の場合には特に難しい。これは一般に、位置合わせを伴ういくつかの製作サイクルを必要とし、そこで、各要素の高さは１サイクルの間に個別に画定される。これはまた、高度に最適化された、しばしば複雑な、材料の加工を必要とする。材料の垂直な側壁を得るために、現在利用可能な方法では高異方性エッチングが必要とされる。１つの公知の加工方法は、Ｃ． Ｄａｖｉｄ， “Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｉｒ－ｃａｓｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏｓ ｆｏｒ ｂｌａｚｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”， Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ５３ （２０００）で説明される。方法の複雑さのために、このプロセスの歩留まりは低い。さらに、オーバーレイ露光は、ナノメートルレベルの横方向の位置精度を必要とし、最適からのどのような逸脱も光学性能の損失を引き起こす。通常、オーバーレイ露光は、約１０ｎｍの精度を有し、これは最適な光学性能に対する顕著な逸脱を引き起こす。正確な高さ変調はそれ自体が難しく、最大の効率調節範囲を達成するために高さ変調とフィルファクタ変調との両方が望まれるときに特定の困難に直面する。

【0005】

高さ変調の必要性は、しかしながら、特に酸化物などの高屈折率材料の場合に製作の複雑さを増加させる。大量生産に適した利用可能な方法はほとんど無い。

【0006】

したがって、回折効率の調節を改良する必要性がある。

【発明の概要】

【0007】

本発明の目的は、上記の問題のうちの少なくともいくつかを解決すること、及び、格子の回折効率を変調する新規な手段を提供することである。具体的な目標は、光学系の光学性能を最適化するのに適したさらなる設計パラメータを提供することである。

【0008】

１つの具体的な目的は、高さ変調の難しさに取り組むこと、回折効率に影響を与えるべく高さ変調と置き換わる又は共に用いられるさらなる設計パラメータを提供すること、並びに、設計パラメータを利用する新規な装置及び方法を提供することである。

【0009】

一態様によれば、本発明は、回折格子に二次元格子周期を提供することに基づいており、２つの垂直格子周期のうちの１つは回折を生じるのに十分に大きく、一方、他の格子周期はサブ波長であり、効率変調のために適用することができる。特に、この方向の隣接する構造体間の間隔、すなわちフィルファクタ変調を、回折効率を変調するのに用いることができる。

【0010】

より詳細には、本発明の回折光学格子は、それぞれ二次元に周期的な格子構造を有する第１のゾーン及び第２のゾーンを備える。ゾーンのそれぞれは、可視光の選択された波長の第１の方向に沿った回折を可能にするように選択される、第１の方向の第１の周期と、前記選択された波長の第２の方向に沿った回折を防ぐのに十分なだけ短い、第１の方向とは異なる第２の方向の第２の周期とを備える。本発明によれば、第１のゾーンでの格子構造と第２のゾーンでの格子構造は、第２の方向に異なる変調特徴を有する。この種のサブ波長変調は、第１の方向に回折する光に関して第１のゾーンと第２のゾーンで異なる回折効率を生じる。

【0011】

本発明の回折ウェーブガイドは、光導波路、すなわちライトガイドとして作用することができる本質的に平坦な基板と、基板内に又は基板上に配置され、基板へ、基板内へ、又は基板外へ光を結合することができる前述の種類の少なくとも１つの回折格子とを備える。

【0012】

本発明の回折ディスプレイ装置は、画像を提示することができる画像ソースと、画像ソースにより提示された画像を再現するように構成された前述の種類の入力結合格子、出力結合格子、及び／又は射出瞳拡大素子格子を備える回折ウェーブガイドとを備える。特に、画像ソースは、或る出力波長又は波長範囲を有し、格子の第２の周期は、第２の方向の回折を防ぐために画像ソースのサブ波長領域内にある。

【0013】

本発明の前述の種類の回折格子を備える回折ディスプレイ上に画像を表示するための方法は、第１の回折効率を有する光学干渉を生じさせるために格子の第１のゾーンに光を誘導することと、第１のゾーンと第２のゾーンの異なるサブ波長変調特徴に少なくとも部分的に起因して第１の回折効率とは異なる第２の回折効率を有する光学干渉を生じさせるために格子の第２のゾーンに光を誘導することを含む。

【0014】

本発明はまた、格子の回折効率を調節するために第１の方向に対して非平行である第２の方向の、回折が起こる第１の方向を有する格子のサブ波長周期パターニングの使用に関する。特に、サブ波長周期パターニングは、二次方向の格子のフィルファクタ変調と組み合わせることができる。

【0015】

特に、本発明は、独立請求項に記載の事項によって特徴付けられる。

【0016】

本発明は顕著な利点を与える。第１に、本発明は、一般に非常に困難とされる構造体の高さ変調の必要なしに、回折効率の大きい変調能力を可能にする。特に、本発明は、高さ変調なしであっても、一次回折方向の同時のフィルファクタ変調及び高さ変調を用いて以前に達成されたものと同様の回折効率調節範囲を達成することを可能にする。したがって、本発明は、退屈な格子高さ調節の必要性をなくし、これを例えば一次格子方向の格子の垂直方向のフィルファクタのサブ波長変調に置き換えるために用いることができる。

【0017】

回折効率への影響を有する全く新しい設計オプションを提供することにより、本発明は、回折効率を自由に調節することができる回折格子の設計パラメータの要望に対処する。新しい設計パラメータであるサブ波長変調は、特にディスプレイ用途での回折効率の局所的調節を支援する。例えば、回折ＮＥＤ又はＨＵＤの入力結合格子、射出瞳拡大素子格子、及び／又は出力結合格子に適用すると、結果的に得られる画像のカラーバランス、画像均一性、及び／又は効率（輝度）を最適化することができる。

【0018】

光学サブ波長分解能を有する構造体の生産に容易に適合するそれ自体が利用可能な製造技術が存在するので、本発明は大量生産に適用可能である。製造能力に関しては、特に有利な実施形態は、少なくとも第２の方向の変調が、純粋なフィルファクタ変調である、すなわち、高さ変調なしのものである。

【0019】

本発明は、格子の第２の横次元を、第１の横次元の回折効率の変調に役立つように利用する。これらの両方の方向に周期性があるにもかかわらず、格子は、選択された波長又は波長範囲に関して依然として一次元格子のままである。第２の方向の変調特徴の変化の影響が、後で一例として例解される。基本的に、ゼロから最大までの回折効率の調整範囲（第１の方向の選択された格子パラメータで）が達成可能である。

【0020】

従属請求項は、本発明の選択された実施形態に向けられる。

【0021】

いくつかの実施形態では、第１のゾーンと第２のゾーンは、前記第２の方向に異なるフィルファクタ変調特徴を有する。いくつかの実施形態では、これは第２の方向に用いられる唯一の変調方法であり、高さの局所的修正が必要とされないため、製造プロセスをより簡単にする。しかしながら、第１のゾーンと第２のゾーンが、フィルファクタ変調に加えて又はその代わりに、第２の方向に異なる高さ変調特徴を有することは除外されない。

【0022】

いくつかの実施形態では、第１のゾーンと第２のゾーンは、第１の方向及び／又は第２の方向に同じ周期を有する、すなわち、これらの方向の一方又は両方に周期変調は存在しない。しかしながら、第１のゾーンと第２のゾーンが第１の方向及び／又は前記第２の方向に異なる周期を有することは除外されない。

【0023】

いくつかの実施形態では、格子構造は、２．０よりも高いなどの、１．７よりも高い屈折率を有する材料で少なくとも部分的に作製され、材料は、好ましくは、金属酸化物などの酸化物材料又は窒化物材料、例えば、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＨｆＯ_２である。これらの材料は、高屈折率基板上の高品質の格子の生産を可能にする。

【0024】

いくつかの実施形態では、第１及び第２のゾーンの格子構造は、格子の横平面内で矩形、楕円形、又は卵形の断面形状を有するピラーなどのピラーを備える。いくつかの実施形態では、ピラーは、平坦な又は傾斜した頂部を有する。

【0025】

いくつかの実施形態では、第１の周期は光学回折閾値よりも長く、第２の周期は前記光学回折閾値よりも短く、前記光学回折閾値は、例えば１００～７００ｎｍの範囲から選択される。

【0026】

いくつかの実施形態では、第１及び第２のゾーンは、それぞれ、０．０１ｍｍ^２乃至１００ｍｍ^２などの、少なくとも０．００１ｍｍ^２の側面積を有する。

【0027】

少なくとも隣接するゾーン又はさらにはすべての他のゾーンと比較して、第２の方向に異なる変調特徴を有するゾーンの数は、単一の格子において、３～１０００など、例えば２～１０００、例えば１０～１００とすることができる。

【0028】

次に、本発明の実施形態及びその利点を、添付の図面を参照しながらより詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】本発明のいくつかの実施形態に係る効率変調のために用いられる格子の幾何学的形状の図式的表現を示す。

【図2A】ｙ方向の１のフィルファクタを有する二次元格子として表される、従来の一次元ブレーズド格子を示す。

【図2B】本発明の一実施形態に係る各２Ｄ格子セルでの格子面積のサイズを減少させることにより回折効率が修正されているブレーズド格子を示す。単位セル内部の残りの構造は円形の平面内形状を有する。

【図3】ピクセル化された入力結合（Ｇ_１）格子、射出瞳拡大（Ｇ_２）格子、及び出力結合（Ｇ_３）格子を有する回折ＮＥＤライトガイドを例解する。

【図4A】バイナリ１Ｄ格子の第１の透過次数の回折効率が格子高さの関数としてどのように変化するかの一例を示す。

【図4B】１Ｄ格子の第１の透過次数の回折効率が格子フィルファクタの関数としてどのように変化するかの一例を示す。

【図5】ｙ方向のサブ波長周期を有する二次元格子として表される１Ｄバイナリ格子の第１の透過次数の回折効率がｙ方向のフィルファクタの関数としてどのように変化するかを示す。

【発明を実施するための形態】

【0030】

定義
「第１の方向」及び「一次方向」は、関係する特定のゾーンにおいて実際の回折が起こる格子の方向、すなわち、格子パターンの周期性が光学回折範囲内にある方向を指す。

【0031】

「第２の方向」及び「二次方向」は、回折効率の変調のために用いられる格子パターンのサブ波長周期性の方向を指す。

【0032】

「横」及び「平面内」は、第１の方向と第２の方向により画定される平面を指す。通常、これは、その上に格子が製造される平坦な基板の平面に対応する。「法線」方向は、横平面に垂直な方向を指す。

【0033】

「ゾーン」（「第１のゾーン」及び「第２のゾーン」など）という用語は、横平面内の格子の領域を指し、該領域は、各ケースにおいて言及される特徴、特に、サブ波長変調特徴を有する。通常、ゾーンは離散的であり、変調特徴は各領域内で一定であり、領域の境界で段階的に変化する。しかしながら、例えば、連続変調格子も本発明の範囲内である。

【0034】

「フィルファクタ」という用語は、格子周期内の格子構造材料と周囲材料（例えば、異なる屈折率を有する空気又は他の固体材料）との比率を指す。典型的な矩形の格子線のケースでは、これは線幅と周期幅との比率に等しい。その結果、「フィルファクタ変調」は、格子の横次元、すなわち、周期構造の周期間でのフィルファクタの変化を指す。

【0035】

同様に、「高さ変調」は、格子の法線方向の格子の構築ブロックの高さの変化を指す。例えば、ピラーのアレイのケースでは、要素の高さは、線の頂部（ピラー頂部）と隣接するピット（谷底）との間の法線方向の距離である。

【0036】

「変調特徴」は、一般に、フィルファクタ変調又は高さ変調に、従って回折効率に影響を与える格子の任意の幾何学的特性を指す。

【0037】

「サブ波長」周期構造は、回折次数、特に、すべての可視光波長などの、特定の用途に用いられる波長の、第１の透過次数などの第１の回折次数を回折が伝搬するのを防ぐのに十分なだけ短い基本次元を有する構造を指す。対応して、サブ波長変調は、サブ波長周期構造の変調を指す。

【0038】

選択された実施形態の説明
図１は、直交する幾何学的形状のサブ波長変調格子を例解する。格子は、その横平面内に、ｘ方向の行及びｙ方向の列に配列された、複数の単位セル（点線境界）を備える。格子は、垂直方向に２つの周期ｄ_ｘ及びｄ_ｙを有し、該周期が単位セルのサイズを定義する。第１の方向の周期（このケースではｘ方向の周期ｄ_ｘ）は、この方向に回折が起こるように選択される。第２の方向の周期（ｙ方向のｄ_ｙ）は、該方向に伝搬する回折次数が存在しないほど小さくなるように選択される。

【0039】

各単位セルは、それぞれｘ方向及びｙ方向にｌ_ｘ及びｌ_ｙの横サイズを有する構築ブロック、すなわち、格子特徴１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂを備える。ｘ方向のフィルファクタはｆ_ｘ＝ｌ_ｘ／ｄ_ｘであり、ｙ方向ではｆ_ｙ＝ｌ_ｙ／ｄ_ｙである。フィルファクタｆ_ｙは、本発明の原理によれば、効率変調のために用いることができる。

【0040】

ｆ_ｙ＝１の選択は、結果的に従来の一次元格子、すなわち、ｙ方向に連続する格子線を有する格子をもたらすことに注目されたい。格子のいくつかのゾーンは、実際にｆ_ｙ＝１を有してよく、一方、少なくともいくつかの他のゾーン、通常は複数の他のゾーンは、ｆ_ｙ＜１を有する。

【0041】

格子の構築ブロック、すなわち、格子特徴１１Ａ、１１Ｂ、１２Ａ、１２Ｂは、任意の所望の幾何学的形状を有してよい。図１の右手側に示すように、構築ブロックは、例えば、以下であってよい：
－ 例示的な単位セル１Ａに示される、一定の高さを有する矩形ピラー（バイナリピラー）、
－ 単位セル１Ｂに示されるように、随意的に異なる幅及び／又は高さを有するいくつかの矩形バイナリピラー、
－ 単位セル１Ｃに示されるように、異なる高さｈ_ｎを有するいくつかのピラー又は接続された区域（個別の高さのピラー）、
－ 単位セル１Ｄに示されるように、高さ勾配（連続的に変化する高さ）を有する１つ以上の区域、又は
－ これらの任意の可能な組み合わせ。

【0042】

また、ピラー又は任意のサブピラーの横方向の形状は、矩形の形状から逸脱することができる。他の典型的な形状は、円形、楕円形、及び三角形の形状を含むが、形状は、ほぼ任意とすることができる。

【0043】

前述の原理に続いて、任意の一次元格子（例えば、バイナリ格子、ブレーズド格子、傾斜型格子、多層格子）の回折効率は、格子単位セル内部の格子構造の平面内形状面積を変化させることにより変調することができる。第２の方向の単位セルサイズは、第２の方向に回折次数が存在しないほど小さくされる必要がある。これにより、効率変調の調節範囲が広がる。

【0044】

注目に値するのは、第２の方向の単位セルサイズよりも長い波長に関して、格子が一次元格子として現れる、すなわち、第２の方向に回折結合が存在しないことである。

【0045】

第１の方向と第２の方向が９０度逸脱する、直交する幾何学的形状の代わりに、それに沿ってサブ波長変調が行われる第２の方向は、第１の方向に対して任意の他の傾斜した角度をなすことができることに注目されたい。

【0046】

図２Ａ及び図２Ｂは、従来のブレーズド格子（図２Ａ）の回折効率が単位セル内部の格子構造のサイズを減少させることにより修正されている一例を示す（図２Ｂ）。単位セル内部の残りの構造は、円形の平面内形状を有する。図２Ａでは、格子線は、第２の方向に沿って連続する線（フィルファクタ＝１）であるが、例解目的のために想像上の単位セルがそこに示されている。図２Ｂの格子は、単位セルの第２の次元により決まる周期よりも高い波長に関して依然として一次元格子であるが、その回折効率は、各単位セルでの格子面積のサイズを減少させることにより修正されることに注目されたい。

【0047】

格子構造の材料は、有機又は無機透明材料であり得る。一実施形態によれば、有機材料、特に、金属酸化物又は金属窒化物などの金属化合物が用いられる。特に、最終的な材料は、その屈折率が２．２以上などの２．０以上の材料を含み得る。材料は、例えば、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、又はＨｆＯ_２とすることができる。

【0048】

その上に格子構造が製造される基板は、好ましくは、ガラス基板又はポリマー基板などの光学的に透明なものである。透明とは、本明細書では、５０％よりも高い、特に９５％よりも高い透過率を意味する。ディスプレイ用途に関して、基板は、平坦であって、可視光学波長のためのウェーブガイドとして作用することができる、すなわち、それらが内部全反射により基板内で伝搬できるようにすることが好ましい。

【0049】

典型的な実施形態では、格子構造材料は、基板材料よりも高い屈折率を有する。これは、基板内を内部全反射により移動する光が、格子の位置で基板を出ること及び回折が起こることを可能にする。例えば、基板の屈折率は２．０よりも小さくすることができ、格子材料の屈折率は２．０よりも大きくすることができる。

【0050】

格子の周期は、第１の方向に、通常１０μｍ以下、特に、２００～８００ｎｍなどの１μｍ以下であり、一方、第２の方向にはそれよりも短い。一定周期の格子に加えて、本発明は、その周期がいずれかの方向に変調される格子と組み合わせて用いることができることに注目されたい。すなわち、周期は、格子の横次元において一定である必要がある。

【0051】

必要であれば、格子は、光学構造体に組み込む、すなわち、１つ以上の付加的な層で覆う又は被覆することができる。

【0052】

本発明は、ウェアラブルディスプレイ用途、例えば、バーチャルリアリティ又は拡張現実眼鏡などのディスプレイ用途のための格子を製造するのに用いることができる。回折格子は、例えば、目に近接したディスプレイ（ＮＥＤ）又はヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）の出力結合格子、入力結合格子、又は射出瞳拡大素子（ＥＰＥ）格子であり得る。

【0053】

特にディスプレイ用途では、製造される格子パターンの面積は、２～５００ｃｍ^２など、通常は少なくとも１ｃｍ^２である。現在議論している方法を用いて達成される異なる回折効率を有するゾーンの数は、例えば、２～１００などの、２～１０００とすることができるが、より多くすることもできる。ゾーンは離散的ではないが、格子のサブ波長変調は、第２の方向に沿って連続的に変化させることも可能である。

【0054】

本発明は、単一のデバイス内の横方向の一方又は両方のいずれかにおける格子位置の関数として、各格子の効率を局所的に変調するのに用いることができることにも注目されたい。例えば、図３は、その上面上に３つの格子領域Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３：入力カプラＧ_１、水平方向の射出瞳拡大素子Ｇ_２、及び出力カプラＧ_３を有する、ライトガイド３０を示す。この種の設計は、例えばＮＥＤに適する。これらの格子領域のそれぞれは、通常は、２０μｍなどの数十マイクロメートルから１０ｍｍなどの数ミリメートルの横次元を有する複数の矩形ゾーン３２、すなわち、「ピクセル」へ分割される。ピクセルは、他の形状、例えば三角形又は多角形を有することもできる。ピクセルサイズは、局所的に変えることができる。各格子領域Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３は、独自の基本格子形状を有するが、格子単位セル内部の面積サイズは、ピクセルごとに変化する。局所面積フィルファクタ及び平面内フィル形状は、十分なカラーバランス、画像均一性、及びアイボックスを上回る効率を有するＮＥＤディスプレイを得るべく各ピクセルで最適化される。当然、本発明のサブ波長変調ゾーン技術により格子領域Ｇ_１、Ｇ_２、Ｇ_３のうちの１つのみ又は２つを提供することも可能である。

【0055】

図４Ａ及び図４Ｂは、高さ変調及びフィルファクタ変調を用いて誘電体バイナリ格子の第１の透過次数の回折効率をどのように変調することができるかを示す。数値結果は、フーリエモード法（厳密結合波解析としても知られている）で得られた。バイナリ格子は、空気と２．０の屈折率を有するガラス基板との境界面上にあり、格子周期は５００ｎｍであり、フィルファクタは０．５であり、格子は基板と同じ材料で作製される。格子は、垂直入射で４５０ｎｍの自由空間波長を有する平面波を照射される。結果は、横方向の電気分極（ＴＥ）と横方向の磁気分極（ＴＭ）との両方に関して示される。図４Ａでの格子フィルファクタは０．５であり、図４Ｂでの格子高さは２５０ｎｍである。図５は、ｘ方向（一次方向）の格子高さ及びフィルファクタがそれぞれ１５０ｎｍ及び０．５に固定されるときの、ｙ方向（二次、すなわち、サブ波長方向）のフィルファクタ変調により回折効率をどのように変調することができるかの比較を示す。ｙ方向の格子周期は２００ｎｍである。

【0056】

図４Ａ及び図４Ｂは、高さ変調及びフィルファクタ変調が、一般に、回折効率に対して大きな影響を有することを示す。一方、図５は、所与の格子パラメータに関して、本発明のサブ波長変調方式が、所与のパラメータを用いて達成可能なゼロから最大効率までの広い範囲内で回折効率を調整する能力を与えることを示す。サブ波長変調の１つの利点は、例えば一次方向の同時のフィルファクタ変調と高さ変調を用いる調整と比較して、サブ波長フィルファクタの関数としての、回折効率のかなり線形の挙動である。

【0057】

先行技術文献
非特許文献
Ｃ． Ｄａｖｉｄ， “Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔａｉｒ－ｃａｓｅ ｐｒｏｆｉｌｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏｓ ｆｏｒ ｂｌａｚｅｄ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”， Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ５３ （２０００）

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】